Дифузійний транспорт вздовж структурованої поверхні: стійкість ретчет-ефекту при заміні типу потенціального профілю
The phenomenon of the ratchet effect provides the motion a large number of molecular machines, existing in nature and artificially created nanomechanisms, capable to initiate directed diffusion movement along periodic structures. Two key factors, necessary for the ratchet effect occurrence, are the...
Saved in:
| Date: | 2025 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/769 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| id |
oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-769 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-06-19T09:07:20Z |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic |
дипольний ланцюжок орієнтаційно-структурована система на поверхні керований дифузійний транспорт приповерхневе масоперенесення броунівські мотори ретчет-ефект флуктуації потенціалу |
| spellingShingle |
дипольний ланцюжок орієнтаційно-структурована система на поверхні керований дифузійний транспорт приповерхневе масоперенесення броунівські мотори ретчет-ефект флуктуації потенціалу Korochkova, T. Ye. Mashira, O. V. Gromovoy, T. Yu. Terets, A. D. Дифузійний транспорт вздовж структурованої поверхні: стійкість ретчет-ефекту при заміні типу потенціального профілю |
| topic_facet |
dipole chain orientation-structured system on a surface controlled diffusion transport near-surface mass transfer Brownian motors ratchet effect potential fluctuations дипольний ланцюжок орієнтаційно-структурована система на поверхні керований дифузійний транспорт приповерхневе масоперенесення броунівські мотори ретчет-ефект флуктуації потенціалу |
| format |
Article |
| author |
Korochkova, T. Ye. Mashira, O. V. Gromovoy, T. Yu. Terets, A. D. |
| author_facet |
Korochkova, T. Ye. Mashira, O. V. Gromovoy, T. Yu. Terets, A. D. |
| author_sort |
Korochkova, T. Ye. |
| title |
Дифузійний транспорт вздовж структурованої поверхні: стійкість ретчет-ефекту при заміні типу потенціального профілю |
| title_short |
Дифузійний транспорт вздовж структурованої поверхні: стійкість ретчет-ефекту при заміні типу потенціального профілю |
| title_full |
Дифузійний транспорт вздовж структурованої поверхні: стійкість ретчет-ефекту при заміні типу потенціального профілю |
| title_fullStr |
Дифузійний транспорт вздовж структурованої поверхні: стійкість ретчет-ефекту при заміні типу потенціального профілю |
| title_full_unstemmed |
Дифузійний транспорт вздовж структурованої поверхні: стійкість ретчет-ефекту при заміні типу потенціального профілю |
| title_sort |
дифузійний транспорт вздовж структурованої поверхні: стійкість ретчет-ефекту при заміні типу потенціального профілю |
| title_alt |
Diffusive transport along a structured surface: ratchet effect stability when changing the potential profile type |
| description |
The phenomenon of the ratchet effect provides the motion a large number of molecular machines, existing in nature and artificially created nanomechanisms, capable to initiate directed diffusion movement along periodic structures. Two key factors, necessary for the ratchet effect occurrence, are the presence of asymmetry in the system and the organization of the non-equilibrium fluctuations process. Asymmetry can be created directly by the stationary potential form, in the field of which unidirectional motion is organized. Double-sine (smooth) and sawtooth (piecewise-linear) potential profile dependences are encountered most frequently when designing models. The source of such dependence can be a chain of collinearly located dipoles on the surface of a solid. The purpose of this work was to study the influence on the ratchet effect of changing the model potential class from smooth to piecewise linear. For this purpose, two methods of approximation of the double sinusoidal potential by a sawtooth were considered. The first, simple, consists in connecting the extremum points with straight-line segments, preserving the height of the potential barrier and the coordinates of the extrema. The second, the least squares method (LSM), reproduces the slopes of the smooth potential as closely as possible. A model of a stochastic Brownian motor with small fluctuations of the potential energy by a harmonic signal was chosen for the comparative analysis. This model has no limitations in the ranges of the environment temperature and fluctuation frequency parameters, so the ratchet effect can be studied in all operation modes of the motor. It is shown that at sufficiently high temperatures for any asymmetry of potentials, approximation by the simple method gives better results, and at high frequencies – the LSM method. An algorithm for determining the best approximation method in the ranges of parameters that generate the largest flux values is proposed. It has been shown that for single-well double-sine potentials the approximate LSM-potential gives identical results of temperature-frequency dependences. Contour graphs of relative flux values were plotted, demonstrating parameters regions of the greatest identity (stability) of the ratchet effect and the region of the greatest difference. |
| publisher |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/769 |
| work_keys_str_mv |
AT korochkovatye diffusivetransportalongastructuredsurfaceratcheteffectstabilitywhenchangingthepotentialprofiletype AT mashiraov diffusivetransportalongastructuredsurfaceratcheteffectstabilitywhenchangingthepotentialprofiletype AT gromovoytyu diffusivetransportalongastructuredsurfaceratcheteffectstabilitywhenchangingthepotentialprofiletype AT teretsad diffusivetransportalongastructuredsurfaceratcheteffectstabilitywhenchangingthepotentialprofiletype AT korochkovatye difuzíjnijtransportvzdovžstrukturovanoípoverhnístíjkístʹretčetefektuprizamínítipupotencíalʹnogoprofílû AT mashiraov difuzíjnijtransportvzdovžstrukturovanoípoverhnístíjkístʹretčetefektuprizamínítipupotencíalʹnogoprofílû AT gromovoytyu difuzíjnijtransportvzdovžstrukturovanoípoverhnístíjkístʹretčetefektuprizamínítipupotencíalʹnogoprofílû AT teretsad difuzíjnijtransportvzdovžstrukturovanoípoverhnístíjkístʹretčetefektuprizamínítipupotencíalʹnogoprofílû |
| first_indexed |
2025-09-24T17:46:00Z |
| last_indexed |
2025-09-24T17:46:00Z |
| _version_ |
1844168318917804032 |
| spelling |
oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-7692025-06-19T09:07:20Z Diffusive transport along a structured surface: ratchet effect stability when changing the potential profile type Дифузійний транспорт вздовж структурованої поверхні: стійкість ретчет-ефекту при заміні типу потенціального профілю Korochkova, T. Ye. Mashira, O. V. Gromovoy, T. Yu. Terets, A. D. dipole chain orientation-structured system on a surface controlled diffusion transport near-surface mass transfer Brownian motors ratchet effect potential fluctuations дипольний ланцюжок орієнтаційно-структурована система на поверхні керований дифузійний транспорт приповерхневе масоперенесення броунівські мотори ретчет-ефект флуктуації потенціалу The phenomenon of the ratchet effect provides the motion a large number of molecular machines, existing in nature and artificially created nanomechanisms, capable to initiate directed diffusion movement along periodic structures. Two key factors, necessary for the ratchet effect occurrence, are the presence of asymmetry in the system and the organization of the non-equilibrium fluctuations process. Asymmetry can be created directly by the stationary potential form, in the field of which unidirectional motion is organized. Double-sine (smooth) and sawtooth (piecewise-linear) potential profile dependences are encountered most frequently when designing models. The source of such dependence can be a chain of collinearly located dipoles on the surface of a solid. The purpose of this work was to study the influence on the ratchet effect of changing the model potential class from smooth to piecewise linear. For this purpose, two methods of approximation of the double sinusoidal potential by a sawtooth were considered. The first, simple, consists in connecting the extremum points with straight-line segments, preserving the height of the potential barrier and the coordinates of the extrema. The second, the least squares method (LSM), reproduces the slopes of the smooth potential as closely as possible. A model of a stochastic Brownian motor with small fluctuations of the potential energy by a harmonic signal was chosen for the comparative analysis. This model has no limitations in the ranges of the environment temperature and fluctuation frequency parameters, so the ratchet effect can be studied in all operation modes of the motor. It is shown that at sufficiently high temperatures for any asymmetry of potentials, approximation by the simple method gives better results, and at high frequencies – the LSM method. An algorithm for determining the best approximation method in the ranges of parameters that generate the largest flux values is proposed. It has been shown that for single-well double-sine potentials the approximate LSM-potential gives identical results of temperature-frequency dependences. Contour graphs of relative flux values were plotted, demonstrating parameters regions of the greatest identity (stability) of the ratchet effect and the region of the greatest difference. Явище ретчет-ефекту забезпечує рух багатьох існуючих в природі молекулярних машин та штучно створюваних наномеханізмів, що здатні ініціювати направлений дифузійний рух вздовж періодичних структур. Два ключові фактори, необхідні для виникнення ретчет-ефекту, – це наявність асиметрії в системі та організація процесу нерівноважних флуктуацій. Асиметрія може створюватись безпосередньо формою стаціонарного потенціалу, в полі дії якого організовано однонаправлений рух. Найчастіше зустрічаються подвійна синусоїдальна (плавна) і пилоподібна (кусково-лінійна) залежності потенціального профілю. Джерелом такої залежності може бути ланцюжок колінеарно розташованих диполів на поверхні твердого тіла. Задачею дослідження було знайти, яким чином зміниться ретчет-ефект при заміні класу модельного потенціалу з плавного на кусково-лінійний. Для цього було розглянуто два методи апроксимації подвійного синусоїдального потенціалу пилоподібним: простий (simple), при якому точки екстремумів з’єднуються прямолінійними сегментами та зберігається висота потенціального бар’єра і координати екстремумів, та метод найменших квадратів (LSM), що максимально близько моделює нахили плавного потенціалу. Для проведення порівняльного аналізу була обрана модель стохастичного броунівського мотора з малими збуреннями потенціальної енергії гармонійним сигналом, яка не має обмежень в діапазонах температури середовища та частоти флуктуацій, і ретчет-ефект можна досліджувати в усіх режимах роботи мотора. Показано, що за досить високих температур для будь-якої асиметрії потенціалів апроксимація методом simple дає кращі результати, а за високих частот – метод LSM. Запропоновано алгоритм визначення кращого методу апроксимації в областях параметрів, що генерують найбільші значення потоків. Встановлено, що для одноямних подвійних синусоїдальних потенціалів апроксимаційний LSM-потенціал дає ідентичні результати температурно-частотних залежностей. Побудовано контурні графіки відносних величин потоків, що демонструють області параметрів найбільшого співпадіння (стабільності) ретчет-ефекту та області найбільшої розбіжності. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2025-03-01 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/769 10.15407/hftp16.01.149 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 16 No. 1 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 149-164 Химия, физика и технология поверхности; Том 16 № 1 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 149-164 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 16 № 1 (2025): Хімія, фізика та технологія поверхні; 149-164 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp16.01 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/769/787 Copyright (c) 2025 T. Ye. Korochkova, O. V. Mashira, T. Yu. Gromovoy, A. D. Terets |